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摘要：针对我国文物抢救性发掘过程中存在的发掘效率低、劳动强度大、指向性差等问题，提出采用三维地震勘探等物探技术辅助抢救性发掘。通过系统分析和比较多种物探方法优缺点、设备与技术参数等，认为三维地震勘探、电磁成像、地质雷达可以精确测量地下空间形态、大小、埋藏深度等，并且物探设备不会对地下文物造成物理损害。物探设备的应用可以显著提高发掘效率，降低劳动强度，缩短发掘时间，这对于文物的保护是非常有利的。
关键词：文物发掘;物探仪器;三维地震;电磁成像;地质雷达
1 引言
文物是古代文化与文明的历史见证者，也是人类了解过去的物证，是不同文化和文明交流互鉴的渠道。我国历史悠久，文化厚重，几千年的文明史留给今天的后人丰富的文物资源。在现代生产和生活中，不经意间发现文物时，会启动保护性的发掘;当一些不法盗墓分子进行盗掘被发现时，文物单位也会采取抢救性发掘，避免文物的损毁和流失。但是，无论是保护性发掘还是抢救性发掘，突然改变的温度、湿度、微生物环境等，都会造成文物的破坏;为了避免发掘过程中对文物造成物理破坏，发掘的过程一般较为缓慢，有一定规模的少则几个月，多则几年甚至更久，漫长的发掘过程也可能会对文物造成化学损害;再者，目前由于文博专业人才严重不足，有的考古队伍会雇佣大量非文博或考古专业的人员进行现场发掘，对文物保护可能产生潜在的不安全因素。因此，需要探索新的发掘辅助手段，提高发掘效率，缩短发掘时间，并最大限度的避免文物遭受破坏，这是考古工作者应该考虑的问题。
2 文物发掘存在的问题
在文物的发掘过程中由于外界环境突然变动，蕴藏内部的文物极易受到影响，可能导致严重的破坏。由于文物多经历成百上千年的埋藏，并且最初在选择位置时也是非常隐秘的，所以留给后人可以参考的信息非常有限。因此，很难快速、准确的判定地下墓穴形态、文物的分布范围、埋藏深度等情况，比如有些墓葬埋藏深度从几米到几十米，埋藏范围从几平方米到几千甚至上万平米，如果不能有效的了解这些信息，就很难准确判断墓穴形态、文物位置。随着现代技术的高速发展，愈来愈多的新兴技术、工艺、仪器被用于考古工作。比如，目前已经采用X射线荧光（XRF）光谱法，用于探测文物的具体位置、形状、大小等，但是仍然存在应用范围小等问题，未能达到快速探测到文物埋藏具体信息的目的。
我国文物的发掘多是被动的、抢救性的发掘，对于考古发掘来讲，其目的不再是进行寻宝，而是更为看重历史变迁过程中社会文化演变过程。另外，在发掘过程中，也应特别注重文物保护，提高现场发掘的保护力度。因此地下文物发掘不仅是一项科学研究工作，还是一项文化保护的重要途径。但目前在抢救性发掘过程中还存在很多问题，比如有些工作缺少合理性规划，缺少规划的前提也是由于没有办法获取文物具体埋藏信息。
由于我国文博专业人员匮乏，尤其高层次专业人员更少。比如在一个约有50多人的县级博物馆，却没有一名文物专业技术人员;同时，在一个市级博物馆，也未能有一名专业的考古研究人员，这种现状决定了地下文物发掘过程中会雇佣大量非考古或者文博专业的人员。比如不具备考古专业知识和文物保护意识较为淡薄的工人等，再加上缺乏统一的管理，容易因为操作方法、程序的不规范和保护工作不到位致使文物毁坏，很多具有价值的信息极易遭受破坏，很多关键点被疏忽。可以发现，目前文物发掘仍然是“劳动密集型”并且是相对粗放的。因此，势必会造成发掘时间长、劳动强度大，有时候造成很多无用功，甚至造成文物损害，这对于文物保护是非常不利的。
3 精细化物探方法原理
随着精细化物探技术在城市道路损害检测、采矿采动损害实测、地表生态治理等领域的成功应用，为文物抢救性或保护性发掘提供了新的思路。比如在众多浅部地层工程勘察领域陆续发明完善了一些先进的方法以及设备，这些技术的运用，使得地质勘探取得了明显的效果和显著的社会经济效益。
（1） 三维地震勘探技术
三维地震勘探是上世纪70年代发达国家开始使用，基于二维地震勘探发展起来。随着计算机技术的迅速发展，该技术也随之得到迅速发展，是当前地物勘探中最重要的方法，能直观的展现地层的空间立体分布形态。其基本原理是：由地面提前布置好的测线进行勘探，采集反射回来的地震波，经过计算机处理信号，选择有效数据，经过数据处理得到地震剖面或者三维数据体文件。
三维地震勘探是一种空间勘探技术，可显示出高分辨率、高信噪比和高保真度的三维数据模型，因此可以清楚获知地下各种复杂构造和地裂缝，同时根据所得数据精确成像，还可以获取在地下空间内的准确位置。而在三维地震勘探技术中，数据的采集、处理尤为重要，当前较为先进的方法有叠前时间偏移、叠前深度偏移、全三维各向异性等数据处理技术，极大的提高了数据处理效率和准确率以及三维成像精度。地震资料解释精密细致，并与当前逐步发展的三维可视化技术结合，实现了信息精细化处理，高效率分析，对于准确研究地下构造分布位置具有关键作用[1]
（2） 地质雷达
地质雷达是一种利用高频电磁波技术探测地下结构的电子设备，它具有极高的分辨率。它的雏形是1904年德国科学家首次用电磁波信号探测远距离地面金属体，早期地质雷达频率较低，应用具有较大的局限性。随着电子技术高速发展，地质雷达应用范围逐步扩大。其基本原理是：发射机通过发射天线，发射出频率从12.5到 1200M、脉冲宽度0.1ns的脉冲电磁波讯号。在传输过程中，如果讯号在地下遇到探测目标时，会自动生成反射讯号。直达、反射讯号均将通過接收设备传送给接收机，再由示波器进行呈现。根据接收到的波的旅行时间、幅度与波形资料，可以推断地下探测目标的分布情况和距离。 地质雷达的探测，使用超高频电磁波，因此其探测能力较强，优于一些使用普通电磁波的探测类仪器如管线探测仪。所以地质雷达在工程质量检测，场地勘察中被广泛应用，包括基础深度确定、地下水污染、矿产勘探、地下管缆探测、分层、地下埋设物探察、公路地基和铺层、钢筋结构、水泥结构、无损探伤等检测。近年来，地质雷达能勘探地层变化，对于含水带，断裂带可以较好的识别，可以用于富水地层与溶洞发育地区。
（3） 高密度电法
高密度电法是近些年发展起来的，主要是指以直流电阻率法为基础，进行改进的一类直流激发极化法，即为高密度电法。其基本原理与传统的电阻率法较为类似，差异在于设定了密度较高的观测点;在实际作业中，需将全部电极放在一定间隔的测点上，再进行观测。电极放置的点越多，自由组合电极也就越多，也将获得更多的观测数据。
通过组合电极测点，可以获得丰富文物埋藏信息;目前常见的设备已经可以完成数据的采集和处理自动化、快速化，有效减少了人工操作所引起的误差。高密度电法与传统的电阻率法相比具有成本低、效率高、信息丰富、测试精度高等特点，测试原理见图4。
（4） 瞬变电磁法
瞬變电磁法是利用电磁感应原理，进行地下勘探。近几年，这种方法迅速发展，仪器更新较快，理论与应用也不断扩展，国内外水平接近，仍然有较大的发展空间。其基本原理是：依靠不接地回线或接地线源向目标发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间隔时间内，采用线圈或接地电极来观察介质中产生的二次感应涡流场的信息，从而探测出介质的电阻率。
瞬变电磁法探测具有如下优点：施工效率高，探测时间短，速度快，探测深度跨度大;
对低阻体敏感，因此可优先适用于煤田水文地质勘探;不受地形影响，方便寻找低阻地质体，尤其是磁铁矿类矿体，探测效果良好。
除了上面较详细列出的物探方法，还有一些诸如地震反射波法、地震映像法等，其测试原理和优缺点如表1 所示。
4 结论
针对传统文物发掘中指向性差、周期长、成本高、劳动强度高等问题，精细化物探技术的发展给文物发掘提供了新的思路。采用三维地震、地质雷达、瞬变电磁等精细化物探设备，不仅可以快速、高精度的探测到文物埋藏环境、埋藏深度，甚至可以精确探测文物的具体位置，实现地下文物的精准发掘，减少发掘范围、提高发掘效率、降低发掘成本，具有事半功倍效果。通过高精度物探方法辅助保护性发掘，可以最大限度的保护因发掘时间长造成的化学损伤和因不科学发掘造成的物理损伤，是值得推广应用的方法。
参考文献：
[1] 杜文凤，彭苏萍，师素珍.基于三维地震勘探研究地裂缝空间展布特征[J].岩石力学与工程学报，2016，35（04）：778-783.
[2] 刘波，吕玉增.地质雷达在国内的应用现状及发展[J].煤炭技术，2020，39（06）：60-63.
张辉，等.多道瞬态面波法在回填地基调查中的应用[J].物探与化探，2012，36（05）：884-886.
[3] 张建国，严武平.高密度电法在覆盖层勘察中的应用[J].科技创新与应用，2020，（16）：159-160.
[4] 闫国才，鲜鹏辉，仇念广.深井低阻体电性源短偏移距瞬变电磁探测技术研究[J].煤炭科学技术，2020，48（06）：171-176.
作者简介：
王云鹏（1983-），女，满族，北京市人，中国国家博物馆、高级工程师，博士。
本文系“中国国家博物馆科研项目经费资助”的研究成果。
关键词：文物发掘;物探仪器;三维地震;电磁成像;地质雷达
1 引言
文物是古代文化与文明的历史见证者，也是人类了解过去的物证，是不同文化和文明交流互鉴的渠道。我国历史悠久，文化厚重，几千年的文明史留给今天的后人丰富的文物资源。在现代生产和生活中，不经意间发现文物时，会启动保护性的发掘;当一些不法盗墓分子进行盗掘被发现时，文物单位也会采取抢救性发掘，避免文物的损毁和流失。但是，无论是保护性发掘还是抢救性发掘，突然改变的温度、湿度、微生物环境等，都会造成文物的破坏;为了避免发掘过程中对文物造成物理破坏，发掘的过程一般较为缓慢，有一定规模的少则几个月，多则几年甚至更久，漫长的发掘过程也可能会对文物造成化学损害;再者，目前由于文博专业人才严重不足，有的考古队伍会雇佣大量非文博或考古专业的人员进行现场发掘，对文物保护可能产生潜在的不安全因素。因此，需要探索新的发掘辅助手段，提高发掘效率，缩短发掘时间，并最大限度的避免文物遭受破坏，这是考古工作者应该考虑的问题。
2 文物发掘存在的问题
在文物的发掘过程中由于外界环境突然变动，蕴藏内部的文物极易受到影响，可能导致严重的破坏。由于文物多经历成百上千年的埋藏，并且最初在选择位置时也是非常隐秘的，所以留给后人可以参考的信息非常有限。因此，很难快速、准确的判定地下墓穴形态、文物的分布范围、埋藏深度等情况，比如有些墓葬埋藏深度从几米到几十米，埋藏范围从几平方米到几千甚至上万平米，如果不能有效的了解这些信息，就很难准确判断墓穴形态、文物位置。随着现代技术的高速发展，愈来愈多的新兴技术、工艺、仪器被用于考古工作。比如，目前已经采用X射线荧光（XRF）光谱法，用于探测文物的具体位置、形状、大小等，但是仍然存在应用范围小等问题，未能达到快速探测到文物埋藏具体信息的目的。
我国文物的发掘多是被动的、抢救性的发掘，对于考古发掘来讲，其目的不再是进行寻宝，而是更为看重历史变迁过程中社会文化演变过程。另外，在发掘过程中，也应特别注重文物保护，提高现场发掘的保护力度。因此地下文物发掘不仅是一项科学研究工作，还是一项文化保护的重要途径。但目前在抢救性发掘过程中还存在很多问题，比如有些工作缺少合理性规划，缺少规划的前提也是由于没有办法获取文物具体埋藏信息。
由于我国文博专业人员匮乏，尤其高层次专业人员更少。比如在一个约有50多人的县级博物馆，却没有一名文物专业技术人员;同时，在一个市级博物馆，也未能有一名专业的考古研究人员，这种现状决定了地下文物发掘过程中会雇佣大量非考古或者文博专业的人员。比如不具备考古专业知识和文物保护意识较为淡薄的工人等，再加上缺乏统一的管理，容易因为操作方法、程序的不规范和保护工作不到位致使文物毁坏，很多具有价值的信息极易遭受破坏，很多关键点被疏忽。可以发现，目前文物发掘仍然是“劳动密集型”并且是相对粗放的。因此，势必会造成发掘时间长、劳动强度大，有时候造成很多无用功，甚至造成文物损害，这对于文物保护是非常不利的。
3 精细化物探方法原理
随着精细化物探技术在城市道路损害检测、采矿采动损害实测、地表生态治理等领域的成功应用，为文物抢救性或保护性发掘提供了新的思路。比如在众多浅部地层工程勘察领域陆续发明完善了一些先进的方法以及设备，这些技术的运用，使得地质勘探取得了明显的效果和显著的社会经济效益。
（1） 三维地震勘探技术
三维地震勘探是上世纪70年代发达国家开始使用，基于二维地震勘探发展起来。随着计算机技术的迅速发展，该技术也随之得到迅速发展，是当前地物勘探中最重要的方法，能直观的展现地层的空间立体分布形态。其基本原理是：由地面提前布置好的测线进行勘探，采集反射回来的地震波，经过计算机处理信号，选择有效数据，经过数据处理得到地震剖面或者三维数据体文件。
三维地震勘探是一种空间勘探技术，可显示出高分辨率、高信噪比和高保真度的三维数据模型，因此可以清楚获知地下各种复杂构造和地裂缝，同时根据所得数据精确成像，还可以获取在地下空间内的准确位置。而在三维地震勘探技术中，数据的采集、处理尤为重要，当前较为先进的方法有叠前时间偏移、叠前深度偏移、全三维各向异性等数据处理技术，极大的提高了数据处理效率和准确率以及三维成像精度。地震资料解释精密细致，并与当前逐步发展的三维可视化技术结合，实现了信息精细化处理，高效率分析，对于准确研究地下构造分布位置具有关键作用[1]
（2） 地质雷达
地质雷达是一种利用高频电磁波技术探测地下结构的电子设备，它具有极高的分辨率。它的雏形是1904年德国科学家首次用电磁波信号探测远距离地面金属体，早期地质雷达频率较低，应用具有较大的局限性。随着电子技术高速发展，地质雷达应用范围逐步扩大。其基本原理是：发射机通过发射天线，发射出频率从12.5到 1200M、脉冲宽度0.1ns的脉冲电磁波讯号。在传输过程中，如果讯号在地下遇到探测目标时，会自动生成反射讯号。直达、反射讯号均将通過接收设备传送给接收机，再由示波器进行呈现。根据接收到的波的旅行时间、幅度与波形资料，可以推断地下探测目标的分布情况和距离。 地质雷达的探测，使用超高频电磁波，因此其探测能力较强，优于一些使用普通电磁波的探测类仪器如管线探测仪。所以地质雷达在工程质量检测，场地勘察中被广泛应用，包括基础深度确定、地下水污染、矿产勘探、地下管缆探测、分层、地下埋设物探察、公路地基和铺层、钢筋结构、水泥结构、无损探伤等检测。近年来，地质雷达能勘探地层变化，对于含水带，断裂带可以较好的识别，可以用于富水地层与溶洞发育地区。
（3） 高密度电法
高密度电法是近些年发展起来的，主要是指以直流电阻率法为基础，进行改进的一类直流激发极化法，即为高密度电法。其基本原理与传统的电阻率法较为类似，差异在于设定了密度较高的观测点;在实际作业中，需将全部电极放在一定间隔的测点上，再进行观测。电极放置的点越多，自由组合电极也就越多，也将获得更多的观测数据。
通过组合电极测点，可以获得丰富文物埋藏信息;目前常见的设备已经可以完成数据的采集和处理自动化、快速化，有效减少了人工操作所引起的误差。高密度电法与传统的电阻率法相比具有成本低、效率高、信息丰富、测试精度高等特点，测试原理见图4。
（4） 瞬变电磁法
瞬變电磁法是利用电磁感应原理，进行地下勘探。近几年，这种方法迅速发展，仪器更新较快，理论与应用也不断扩展，国内外水平接近，仍然有较大的发展空间。其基本原理是：依靠不接地回线或接地线源向目标发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间隔时间内，采用线圈或接地电极来观察介质中产生的二次感应涡流场的信息，从而探测出介质的电阻率。
瞬变电磁法探测具有如下优点：施工效率高，探测时间短，速度快，探测深度跨度大;
对低阻体敏感，因此可优先适用于煤田水文地质勘探;不受地形影响，方便寻找低阻地质体，尤其是磁铁矿类矿体，探测效果良好。
除了上面较详细列出的物探方法，还有一些诸如地震反射波法、地震映像法等，其测试原理和优缺点如表1 所示。
4 结论
针对传统文物发掘中指向性差、周期长、成本高、劳动强度高等问题，精细化物探技术的发展给文物发掘提供了新的思路。采用三维地震、地质雷达、瞬变电磁等精细化物探设备，不仅可以快速、高精度的探测到文物埋藏环境、埋藏深度，甚至可以精确探测文物的具体位置，实现地下文物的精准发掘，减少发掘范围、提高发掘效率、降低发掘成本，具有事半功倍效果。通过高精度物探方法辅助保护性发掘，可以最大限度的保护因发掘时间长造成的化学损伤和因不科学发掘造成的物理损伤，是值得推广应用的方法。
参考文献：
[1] 杜文凤，彭苏萍，师素珍.基于三维地震勘探研究地裂缝空间展布特征[J].岩石力学与工程学报，2016，35（04）：778-783.
[2] 刘波，吕玉增.地质雷达在国内的应用现状及发展[J].煤炭技术，2020，39（06）：60-63.
张辉，等.多道瞬态面波法在回填地基调查中的应用[J].物探与化探，2012，36（05）：884-886.
[3] 张建国，严武平.高密度电法在覆盖层勘察中的应用[J].科技创新与应用，2020，（16）：159-160.
[4] 闫国才，鲜鹏辉，仇念广.深井低阻体电性源短偏移距瞬变电磁探测技术研究[J].煤炭科学技术，2020，48（06）：171-176.
作者简介：
王云鹏（1983-），女，满族，北京市人，中国国家博物馆、高级工程师，博士。
本文系“中国国家博物馆科研项目经费资助”的研究成果。